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金属切削过程有限元分析的国内外研究现状

发布于:2016-04-03 18:22
有限元分析

      目前,国际上对金属切削过程有限元模拟方面的研究较深入,其中研究的热点问题包括:切屑形成、材料的去除机理、残余应力和刀具的磨损等。随着计算机硬件和App技术的快速发展,有限元分析法(FEM)已经成为金属切削过程仿真的有效工具。以计算机为工具,应用商业有限元App包来模拟仿真大量的工程实际问题,以成为当今工程技术研究领域的热门方向,这也是当今高科技技术不断发展的必然趋势。实践证明,采用有限单元法来数值模拟解决工程实际问题能够达到所需的精度,具有很高的可靠性。而且,通过计算机的模拟仿真可以节省大量的人力和物力,还可以得出许多从实验中很难得到的重要数据,仿真结果形象、直观,对实践有着很高的引导价值.采用有限元法来模拟仿真超精密的切削过程,不但可以深入地了解微量切削过程中影响加工质量的各种因素的变化规律,而且能进一步地了解超精密切削机理,这对提高我国精密产品的制造水平具有很重要的意义。
      二维金属切削过程有限元分析的发展现状1940年,最早研究金属切削机理的是Merchant,Piispanen,Lee and Shaffer等人,他们建立了金属切削的剪切角模型,并确定了剪切角与前角之间的对应关系。从1960年以后,大量的学者开始将切削过程中的摩擦、高应变率、加工硬化和切削温度对工件加工精度的影响考虑到金属切削的模型进去,这样使得对金属切削仿真计算的结果与实际的测量数据更加接近,增进人们对金属切削机理的认识。
      近年来,有限元方法现已成为金属切削过程模拟的主要工具,与其他传统方法相比,它大大提高了金属切削仿真结果的准确性。1980年,Lajczok建立了一个简化的正交切削模型,在不考虑切屑生成的条件下从实验中得到了切屑的几何形状和切削力。1982年,Usui,Shirakashi为了建立稳态的正交切削模型,第一次提出了刀面角、切屑几何形状和流动应力等,并且预测了工件中应力、应变和温度的分布。1984年,Iwata等人将工件的材料假定为刚塑性体,利用刚塑性有限元法模拟了在低切削速度、低应变率时的稳定正交切削过程。但是,由于他们没有考虑到材料的弹塑性变形,所以没有计算出工件中残余应力的大小。Strenkowski和Carroll等人则把工件材料假定为弹塑性体,刀具和切屑的接触面为绝热面,以等效塑性应变为切屑的分离准则分析了刀具、工件和切屑中温度、应力和应变的变化。他们发现切屑的分离准则临界值是随着切削深度的改变而改变的。1990年,Strenkowski和Moon等人,用欧拉有限元法建立了金属的正交切削模型,忽略了工件的弹性变形,模拟了切屑形成,得到了工件、切屑和刀具中的温度场分布。Usui等人首次将低碳钢的流动应力假设为应变、应变率和温度的函数,用有限元法模拟了连续切削中产生的积屑瘤,而且在刀具和切屑的接触面上采用库仑摩擦模型,利用正应力、摩擦应力和摩擦系数的关系模拟了整个切削过程。Hashemi等人,采用弹塑性材料的本构关系和应用临界等效塑性应变准则,模拟了金属切削的连续切屑和不连续切屑的形成过程。Komvopoulos和Erpenbeck通过金属切削的正交解析法并在刀-屑的接触面上应用库仑摩擦定律,得到了刀具和切屑之间的法向力和摩擦力。他们还建立了弹塑性金属切削模型,研究了刚质材料正交切削中刀具磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。


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